Úvod
RF hmotnostní spektrometr se také nazývá Quadrupole Mass Spectrometer. Základní součástí radiofrekvenčního hmotnostního spektrometru je kvadrupólová tyč. Ve čtyřnásobné tyči jsou čtyři elektrodové tyče rozděleny do dvou skupin a je na ně aplikováno inverzní střídavé napětí na radiové frekvenci (RF). Ionty nacházející se v tomto potenciálním poli se mohou dostat k detektoru poté, co je vybraná část stabilní, nebo následně vstoupit do prostoru pro následnou analýzu. Struktura a obvod vysokofrekvenčního hmotnostního spektrometru jsou jednodušší než u jiných hmotnostních spektrometrů. Cena je také relativně nízká. Radiofrekvenční hmotnostní spektrometry jsou široce používány v chromatografii-hmotnostní spektrometrii (Chromatography-MassSepctrometry).
TendemMassSpectrometry (TendemMS) lze dosáhnout použitím více kvadrupólů v sérii pro získání informací o struktuře analytu.
Radiofrekvenční hmotnostní spektrometr umožňuje průchod pouze iontů s jediným poměrem náboje k hmotnosti. Při skenování velkého hmotnostního intervalu je čas požadovaný radiofrekvenčním hmotnostním spektrometrem mnohem delší než čas letu hmotnostní spektrometrie (TimeofFlightMassSpectrometry, ToF-MS). ), Orbitrap MS (OrbitrapMS), Lineární iontová past (LinearIonTrap) a další hmotnostní spektrometry, které využívají pulzní vzorkování.
Rádiová frekvence
Radio Frequency (RF) je zkratka RadioFrequency, což znamená elektromagnetickou frekvenci, která může být vyzařována do vesmíru, a frekvenční rozsah je od 300 kHz do 300 GHz. Rádiová frekvence se označuje zkratkou RF. Radiofrekvence je radiofrekvenční proud, což je zkratka pro vysokofrekvenční střídavý proud měnící elektromagnetickou vlnu. Střídavý proud, který se mění méně než 1 000krát za sekundu, se nazývá nízkofrekvenční proud a proud, který se mění více než 10 000krát, se nazývá vysokofrekvenční proud. Radiofrekvence je takový vysokofrekvenční proud. Vysoká frekvence (větší než 10K); rádiová frekvence (300K-300G) je vyšší frekvenční pásmo vysoké frekvence; mikrovlnné frekvenční pásmo (300M-300G) je vyšší frekvenční pásmo rádiové frekvence.
V teorii elektroniky, když proud protéká vodičem, vytvoří se kolem vodiče magnetické pole; při průchodu střídavého proudu vodičem se kolem vodiče vytvoří střídavé elektromagnetické pole, které se nazývá elektromagnetické vlnění. Když je frekvence elektromagnetických vln nižší než 100 kHz, elektromagnetická vlna bude absorbována povrchem a nemůže vytvořit účinný přenos, ale když je frekvence elektromagnetických vln vyšší než 100 kHz, může se elektromagnetická vlna šířit vzduchem a odrážet se ionosférou. na vnějším okraji atmosféry, aby se vytvořila schopnost přenosu na velkou vzdálenost. Vysokofrekvenční elektromagnetické vlny s možností přenosu na velkou vzdálenost nazýváme rádiovou frekvencí; radiofrekvenční technologie je široce používána v oblasti bezdrátové komunikace a systém kabelové televize využívá vysokofrekvenční přenos.
Dějiny
Nejstarší literatura o radiofrekvenčních hmotnostních spektrometrech pochází z poloviny roku 1950. Vynálezce, profesor Wolfgang Paul, získal v roce 1989 Nobelovu cenu za fyziku.
Selektor kvality a jeho princip
Přestože většina kvadrupólových voličů kvality používaných ve skutečnosti je válcová, ideální volič kvality je hyperbolický tvar. Velikost selektoru hmoty se obvykle pohybuje mezi několika centimetry až desítkami centimetrů.
Čtyři póly kvadrupólového voliče kvality jsou rozděleny do dvou odpovídajících skupin a je aplikováno inverzní vysokofrekvenční vysoké napětí. Výrazy dvou sad napětí jsou:
Tyto dvě sady napětí mají pouze opačná znaménka. Kde U je složka stejnosměrného proudu (DC) a V je amplituda vysokofrekvenční složky (střídavý proud, který dosáhne vysílací frekvence, RF) (zde se používá V_rms místo Vp-p).
Za normálních okolností je hodnota U 500-2000V a hodnota V je 0-3000V.
V takovém prostředí elektrického pole budou ionty oscilovat podle elektrického pole. Elektrickým polem však mohou stabilně procházet pouze ionty se specifickým poměrem náboje k hmotnosti. Při specifikaci napětí na pólu budou ionty s příliš malou hmotností ovlivněny velkým napětím, což způsobí velmi prudké kmitání, které způsobí, že kontaktní pól ztratí náboj a bude odčerpán vakuovým systémem; Nemůže být tažen dostatečným elektrickým polem a nakonec se dotkne sloupu nebo vyletí z elektrického pole a neprojde voličem hmotnosti.
In the hardware of the quadrupole mass selector, the usual method is to adjust the radio frequency working frequency w to select the mass of the ion, and adjust the ratio of U to V to adjust the ion pass rate. The corresponding picture in this section shows that the triangular area is the stable area of the ion of this mass. The ratio of U to V is represented here as a slope. It can be seen that the larger the U/V, the higher the accuracy of ion selection, and the stronger the resolution of the instrument, but the number of ions that can be stably passed is reduced; while the smaller the U/V ratio, the more ions pass, but the resolution decreases. . After weighing, the resolution of most RF mass spectrometers is about 1Th, which is reflected in the mass spectrum that the half-peak width is about 1Th or 1Da.
Stojí za zmínku, že když je hodnota U nula, to znamená, že na kvadrupól je přivedeno pouze vysokofrekvenční napětí, všechny ionty mohou projít. Význam této operace je v tom, že iontový paprsek může být koncentrovanější. Obvykle se používá jako iontové zrcadlo (IonLens). Nejtypičtějším rozšířením je vzhled octopolů a hexapólů, které jsou vlastně odvozeny od základních pracovních charakteristik kvadrupólů.
Vakuový systém
Vakuový systém RF hmotnostního spektrometru je obvykle rozdělen do dvou stupňů.
The primary vacuum system provides basic vacuum support for the secondary vacuum system. The secondary vacuum system is usually directly connected to the cavity of the mass spectrometer to make the mass spectrometer reach a vacuum state. It is worth noting that the vacuum of the RF mass spectrometer is not a high vacuum (0.001Pa). The ions move in the pole, and a large amount of energy is obtained from the electric field. In order to form a stable ion cloud, a very small amount of gas must be present in RF mass spectrometry to absorb excess kinetic energy. The vacuum of a radio frequency mass spectrometer is usually one percent of the time-of-flight mass spectrometry (1e-5Pa) and one ten billionth of the orbital ion trap mass spectrometry (1e-14Pa).
Primární vakuum
Primárním vakuem je obvykle mechanické čerpadlo (RoughingPump) nebo spirálové čerpadlo (ScrollPump). Stupeň vakua je asi 1 mTorr (0,13 Pa).
Mechanická čerpadla jsou relativně levná ve srovnání s válcovými čerpadly, ale k provozu vyžadují mazací olej. Při provádění analýzy citlivé na plyn, zejména v oblasti věd o atmosféře, se místo mechanického čerpadla obvykle používá válcové čerpadlo.
Sekundární vakuum
Sekundární vakuum obvykle využívá turbomolekulární pumpu (TurbomolecularPump) nebo disperzní pumpu (DiffusionPump).
Molekulární čerpadlo má malou velikost a jeho účinnost je vyšší než účinnost disperzního čerpadla. Obvyklá molekulární čerpadla mohou podporovat rychlost proudění vzduchu 350 l/min a molekulární čerpadla vyšší třídy mohou dosáhnout ultra vysokého vakua 1e-14Pa.
Dispergační čerpadlo má obrovský objem, který může dosáhnout 1-2 metrů. V moderních přístrojích byl v podstatě nahrazen turbomolekulárními vývěvami.
Pro vakuové podmínky požadované kvadrupólovým hmotnostním spektrometrem může turbomolekulární pumpa dosáhnout obvykle do 30 minut. Disperzní čerpadlo potřebuje 20-80 hodin.
Napájecí systém
Because the quadrupole system requires high-frequency voltage, magnetic cores are usually not used in the core power supply system of RF mass spectrometry, but air-core transformers are used to ensure the circuit For high frequency radio frequency response. The early shock-generating components used a capacitor-inductor-transistor self-oscillation method (the mass spectrometer produced by THS in Georgia, USA still uses this system), with electronic technology For the development of oscillating sources, voltage-controlled oscillators (VoltagedControlledOscillator, VCO) or direct digital synthesis (DirectDigital Synthesis, DDS) are mostly used.
Rozšířené aplikace
Přímé měření
(Přímé měření)
RF hmotnostní spektrometr lze použít jako nástroj pro přímé měření.
Přizpůsobením různých zdrojů iontů se RF hmotnostní spektrometr používá jako obecný nástroj analytické chemie. Zejména při dlouhodobém měření je množství dat generovaných RF hmotnostním spektrometrem výrazně menší než u jiných paralelních měření hmotnostních spekter (hmotnostní spektrometrie s časem letu atd.).
Vícestupňová hmotnostní spektrometrie
(TendemMassSpectrometry,MS-MS)
Vzhledem k nízké rozlišovací síle RF hmotnostního spektrometru tedy chybí schopnost určit neznámé látky. Prostřednictvím vícestupňové hmotnostní spektrometrie procházejí ionty nezávislými komorami uprostřed dvou skupin kvadrupólových systémů za účelem fragmentace. Fragmenty produkované ionty o specifické hmotnosti jsou tedy analyzovány a lze získat informace o struktuře iontů.
Metoda fragmentace zahrnuje metodu kolizní fragmentace (CollisionInducedDissociation, CID), při které se vstřikovaný plyn sráží s ionty, a metodu, která přímo emituje fragmentaci elektronů přes elektronové dělo (ElectronDissociation).
Vícestupňová hmotnostní spektrometrie hraje zásadní roli v biochemii a organické chemii.
Chromatografie-hmotnostní spektrometrie
(Chromatografie-hmotnostní spektrometrie)
Nejtypičtější aplikací chromatografie-hmotnostní spektrometrie je plynová chromatografie hmotnostní spektrometrie (GasChromatography-MassSpectrometry, GC-MS) a kapalinová chromatografie-hmotnostní spektrometrie (LiquidChromatography-MassSpectrometry).
Výhoda spočívá v kombinaci chromatografie a hmotnostní spektrometrie, která řeší problém, že pokud jsou hmotnosti iontů v hmotnostní spektrometrii příliš podobné, nelze je rozlišit. V chromatografii poskytuje retenční čas (RetensionTime) strukturní informace různých typů látek ve směsi a operace předseparace zlepšuje důvěryhodnost hmotnostního spektrometru. Tato metoda je podobná spektrometrii iontové mobility (IonMobility Spectrometry-MS, IMS-MS).
Obtížnost aplikace této metody spočívá v tom, jak propojit chromatografické zařízení a zařízení pro hmotnostní spektrometrii. Nejčastěji používanou metodou je elektrosprejová ionizace (Electrospray Ionization, ESI).
Tato stránka není oprávněna kopírovat z čísla 41021653